ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)
Ⅰ. 서 론
최근 전자전 분야에서 광대역 주파수 스펙트럼 범위가
다양화되고 있다. 이에 적의 물리적, 전자전 위협에 대응 하기 위한 전자전 재머는 아군을 보호하기 위해 필수 장 비이며, 전자전 재머의 핵심부품은 전력증폭기이다. 전자
LIG넥스원 전자전연구소(Electronic Warfare R&D Lab, LIG Nex1 Co., Ltd.)
*유텔 연구소(U-Tel)
․Manuscript received July 7, 2020 ; Revised August 24, 2020 ; Accepted September 7, 2020. (ID No. 20200707-057)
․Corresponding Author: Jae-Duk Kim (e-mail: [email protected])
GaN HEMT 를 이용한 광대역 80 W급 반도체 전력증폭기 설계 Design of Wide Band 80 W Solid State Power Amplifier Using GaN HEMT
김재덕 ․김보균*․유승학*․이기욱․이문석․이왕용
Jae Duk Kim․Bo Gyun Kim*․Seung Hak Yoo*․Ki Wook Lee․Moon Seok Lee․Wang Yong Lee
요 약
본 논문에서는 GaN HEMT(gallium nitride high electron mobility transistor)를 이용한 광대역(S to C band) 80 W급 전력증 폭기 설계 및 제작과 측정결과를 기술하였다. 제안된 광대역 80 W급 전력증폭기는 입력된 단일 RF 신호를 2개의 경로로 분배하고, 각각의 신호는 GaN HEMT Bare Die에서 증폭된 후 다시 전력결합 되는 평형 결합구조의 광대역 임피던스 매칭 기법을 적용하였다. 설계된 전력증폭기는 높은 열전도도의 Super CMC(S-CMC) 캐리어에 유테틱 본딩(eutectic
bonding) 공정으로 패키징하여 80 W급 성능을 확보하였다. 제작된 광대역 80 W 전력증폭기 측정결과, 동작 주파수 전대
역에서 42 dBm CW 입력 시에 평균 출력 81.4 W, 평균 전력부가효율(PAE) 36.65 %, 평균 전력 이득 7.1 dB 특성을 가진 다. 또한, 4.5 GHz 주파수에서 41 dBm CW 입력 RF 신호 주입 시 최대출력 121.9 W, 최대 PAE 49.16 %, 최대 전력 이득 9.86 dB 특성을 가지는 것을 확인하였다. 전자전용 고출력 재밍 송신장치(전자전 재머, electronic warfare jammer) 적용 가능성을 검증하기 위해, 두 개의 광대역 80 W급 증폭기를 90° 하이브리드 커플링 전력결합구조로 120 W급 RF SSPA 모듈을 구현하고 측정하였다.
Abstract
This paper describes the design & fabrication and measurement results of a wide band(S to C band) 80 W solid state power ampli- fier(SSPA) using a GaN HEMT. The SSPA is fabricated with wide band impedance matching topology in a balanced combined configuration using two GaN HEMT bare dies and with a super CMC(S-CMC) structure with high thermal conductivity using the eutectic bonding carrier packaging method. The wide band 80 W SSPA, with 42 dBm CW input power injection at operation frequency, demonstrated performance with an average output power of 81.4 W, an average power addition efficiency(PAE) of 36.65%, and an average power gain of 7.1 dB.
Furthermore, with 41 dBm CW input power injection at 4.5 GHz frequency, it had a peak output power of 121.9 W, a maximum PAE of 49.16 %, and a maximum power gain of 9.86 dB. To verify the applicability to an electronic warfare jammer, the designed 120 W RF SSPA module was implemented and measured by combining two such wide band 80 W SSPAs in a 90° hybrid coupled power configuration.
Key words: GaN, HEMT, SSPA, Wide-Band, S to C Band, Electronic Warfare
전 재머의 전력증폭기 형태는 기존 진공 전력증폭기 (traving wave tube power amplifier: TWTA) 에서 낮은 동 작 전압과 우수한 MTBF(mean time between failure), 소형 화, 경량화의 장점을 가진 반도체 전력증폭기(solid state power amplifier: SSPA)로 바뀌는 추세이다. 특히 광대역 과 높은 출력, 그리고 고효율 특성의 반도체 전력증폭기 를 사용한 전자전 재머에 대한 관심과 수요가 커지고 있 다. 광대역 특성은 전자전 재머의 광대역 스펙트럼 위협 대응에 중요한 요소이고, 높은 출력 특성은 재머의 전자 공격범위의 중요한 요소이며, 고효율 특성은 재머의 방열 능력과 소모전력에 큰 영향을 미치는 요소로 냉각장치와 같은 추가적인 시스템 운용비용의 감소와 크기 및 무게 절감을 결정한다. 위의 세 가지 요소는 결국 전자전 재머 시스템의 매우 중요한 요소로 작용한다[1].
반도체 전력증폭 소자 중에서도 GaN 반도체 소자는 군수분야 및 최근 5G 이동통신 분야 등에서 각광 받고 있 으며, 광범위하게 사용되고 있다. 넓은 에너지 밴드 갭 (wide energy band gap) 특성으로 높은 항복 전압의 장점 과 높은 전자 포화 속도로 인해 더 높은 주파수 대역에서 동작이 가능할 뿐 아니라, 높은 열 전도성의 SiC HEMT 구조를 가지고 있어 방열에 유리한 장점을 가진 GaN 반 도체 소자는 기존의 반도체 전력증폭 소자인 GaAs 반도 체소자나 Si LDMOS(laterally diffused metal oxide semi- conductor) 소자에 비해 광대역 고효율 고출력 증폭기에 가장 적합하다고 볼 수 있다[2]～[4].
본 논문에서는 미래 전장 환경에서 전자전 재머에 사 용 가능한 GaN HEMT를 이용한 광대역(SC-Band)의 80 W급 전력증폭기 설계 및 성능 측정 결과, 그리고 제작된 80W 급 전력증폭기의 전자전 재머 적용 가능성을 검증하 기 위해 하이브리드 결합구조의 광대역 120 W급 RF SSPA 모듈로 설계, 제작하여 측정한 성능 및 특성을 소 개한다.
Ⅱ. 광대역 80 W급 전력증폭기 설계
광대역 80 W급 전력증폭기를 설계 및 구현하기 위해 광대역의 주파수대역과 높은 최대출력전력을 우선순위 에 두고 소자를 선정하였다. 표 1과 같이 DC～8 GHz 주파수 대역까지 동작이 가능하며, 소자 최대출력전력 60 W의 특성을 갖는 WOLFSPEED 사의 GaN HEMT Bare Die (CG2H80060D) 소자로 선정하였다.[5] 선정된 GaN HEMT 소자는 표 2의 설계 목표와 같이 2.0～6.5 GHz 광 대역에서 80 W(49 dBm) 이상의 출력 전력 성능을 만족해 야 하므로 50 W 증폭기 두 개를 전력 결합하는 평형 결 합의 증폭기 구조로 설계 검토하였고, 목표 주파수 대역 에서 소자 1개당 50 W(47 dBm) 이상의 출력 전력을 얻을 수 있는지와 동일한 소자 2개의 평형 결합구조로 설계된 증폭기가 80 W 이상의 출력 전력을 얻을 수 있는지에 대 해, NI 사 AWR MWO 시뮬레이션 툴을 활용하여 설계 목 표 성능을 검증하였다.
NI 사 AWR MWO 시뮬레이션 툴을 사용하여 설계 목 표의 주파수 대역에서 VDS=28 V, IDQ= 500 mA, VGS=
−2.78 V, Class AB 바이어스, 입력 RF 신호 조건은 GaN 표 1. CG2H80060D GaN HEMT Bare Die 주요 특성 Table 1. CG2H80060D GaN HEMT Bare Die main chara-
cteristics.
Form Discrete bare die Die thickness 100 μm(GaN on Sic) Frequency range up to 8 GHz Operation Saturated power(Psat) 60 W(@4 GHz)
Small signal gain 15 dB @ 4 GHz, 12 dB @ 8 GHz Drain efficiency(DE) 65 % @ 60 W Operation drain-source voltage 28 V
Gate quiescent voltage −2.78 V (VDD=28 V, IDQ=500 mA) Drain-source breakdown voltage 120 V
Maximum drain current 6 A Operation junction temperature 225 °C
표 2. 광대역 80 W급 전력증폭기 설계 목표 Table 2. Design goals of wide band 80 W SSPA.
Frequency(GHz) 2.0～6.5
Saturated output power(W) ≥ 80 (49 dBm)
Gain(dB) ≥ 7
Power added efficiency (%, PAE) ≥ 20
HEMT Bare Die 단위소자 한개에서 포화출력을 갖는 입 력전력 36.0 dBm을 인가하는 조건으로 로드풀(load-pull) 과 소스풀(source-pull) 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레 이션 결과, 그림 1과 같이 Wolfspeed 사에서 제공하는
GaN HEMT Bare Die(CG2H80060D)의 비선형 모델에서 최저 동작주파수 2.0 GHz에서부터 최대 동작주파수 6.5 GHz까지의 최적화 전력 정합으로 얻을 수 있는 최대 출 력 전력의 소스 임피던스 및 부하 임피던스를 확인하였 다. GaN HEMT Bare Die 단일 소자 최적화 설계 시 얻을 수 있는 2.0 GHz / 4.5 GHz / 6.5 GHz 주파수별 최대출력 전력과 전력 이득, 전력부가효율(PAE), 입/출력 반사손실 과 소신호 이득은 표 3의 결과로 확인할 수 있으며, 이를 토대로 광대역 정합 기법으로 증폭기 설계 시 발생하는 정합 손실을 고려하여 GaN HEMT Bare Die 단일 소자의 목표 출력전력을 50 W(47 dBm), 동일한소자 2개를 사용 하는 평형 결합구조로 설계된 광대역 광대역 80 W 급 전 력증폭기 설계 목표를 표 2의 성능으로 확정하였다.
그림 2는 동일한 GaN HEMT Bare Die 소자 2개를 사용 한 평형 결합구조의 광대역 80 W급 전력증폭기 회로구성 도를 나타낸다. 입력된 RF 신호를 2개의 GaN Bare Die 입 력단으로 주입하는 2way 분배회로와 GaN Bare Die에서 증폭된 RF 신호를 4way 결합하는 형태의 Step Impedance Transformer 정합기법을 사용하여 광대역 외부 입/출력 회 로 영역을 설계하였고, Shunt-C(SLC)와 Au Wire Bonding 을 사용한 L-C 정합 광대역 내부 입/출력 회로 영역 그리 (a)
(b)
그림 1. 로드풀(a)과 소스풀(b) 시뮬레이션을 수행한 GaN HEMT Bare Die(CG2H80060D) 소자 최적화 소스 및 부하 임피던스 등고선
Fig. 1. Optimum source and load impedances contour of GaN HEMT Bare Die(CG2H80060D) device using load-pull(a) & source-pull(b) simulation.
표 3. 로드풀과 소스풀 시뮬레이션을 수행한 GaN HEMT Bare Die(CG2H80060D)소자의 최적화 소스 및 부 하 임피던스
Table 3. Optimum source and load impedances of the GaN HEMT Bare Die(CG2H80060D) device using source- pull/load-pull simulation.
Frequency(GHz) 2.0 4.5 6.5
Z'S, source impedance(Ω) 0.77+j3.88 0.8+j0.65 0.81−j0.27 Z'L, load impedance(Ω) 5.28+j2.04 3.43+j3.10 2.13+j2.46
Pout
W 64.6 63.1 57.4
dBm 48.1 48.0 47.59
Pin(dBm) 36.0 36.0 36.0
Power gain(dB) 12.1 12.0 11.59
PAE(%) 60.1 61.7 59.33
S21(dB) 21.9 19.55 16.45
S11(dB) −1.07 −4.95 −4.57
S22(dB) −1.53 −3.48 −7.55
고 2개의 GaN HEMT Bare Die 칩에서 증폭된 신호를 4way 분배 및 Bias 회로로 사용되는 내부 출력 회로 영역 으로 설계하였다[6]～[8].
설계된 증폭기는 알루미나기판 및 고유전율 기판과 그 리고 이를 전기적으로 연결하는 Au Wire Bonding으로 구 현하여 EM 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 수행 결과, 그림 3과 같이 2.0～6.5 GHz 주파수 범위에서 10 dB 이상의 소신호 이득과 −8 dB 이상의 출력 반사손실,
−4.5 dB 이하의 입력반사손실 특성을 확인하였다.
그림 4는 설계한 광대역 80W급 전력증폭기를 WOLF-
SPEED사에서 제공하는 GaN HEMT Bare Die 비선형 모 델에 대해 Harmonic Balance 시뮬레이션을 수행한 결과, 39 dBm의 입력전력에서 평균 49.0 dBm(80 W) 이상의 최 대출력전력과 최소 PAE 38 % 이상 그리고 평균 전력 이 득 10 dB 이상의 시뮬레이션 결과를 확인하였다.
Ⅲ. 광대역 80 W급 전력증폭기 제작 및 시험
광대역 80 W급 전력증폭기는 그림 5와 같이 제작되었 다. GaN HEMT Bare Die 소자는 열전도도가 높은 22.0×22.0 mm2크기의 S-CMC Carrier 위에 AuSn(80/20) 유테틱
그림 2. 평형 결합구조의 광대역 80 W급 전력증폭기 회
로 구성도
Fig. 2. Simplified block diagram of the wide band 80 W SSPA with a balanced combine configuration.
그림 3. 광대역 80 W급 전력증폭기의 소신호 시뮬레이
션 결과
Fig. 3. Small signal simulation result of the wide band 80 W SSPA.
그림 4. 광대역 80 W급 전력증폭기의 대신호 시뮬레이
션 결과
Fig. 4. Large signal simulation result of the wide band 80 W SSPA.
그림 5. S-CMC 캐리어에 조립된 광대역 80 W급 전력증 폭기의 제작 사진
Fig. 5. Photograph of the wide band 80 W SSPA assem- bled S-CMC carrier.
(eutectic) 공정을 사용하여 접합하는 방법으로 제작하였 고, 입/출력 정합회로에 적용한 알루미나기판(Al2O3, εr= 9.8) 및 단일층 캐패시터(single layer capacitor: SLC), 고유 전율 기판(εr=90)을 Gold wire Wedge Bonding 1 mil을 사 용하여 전기적으로 연결하였다.
특히 GaN HEMT Bare Die 소자가 유테틱 공정을 통해 직접 부착되는 캐리어는 증폭기 운용 시 많은 발열이 발 생하므로 표 4의 캐리어 소재 중에서 비교적 열전달 계수 가 높은 S-CMC 소재를 선정하여 적용하였다[9],[10]. 알루 미나 기판은 전력증폭기 동작 시 과전류에 의한 단선 (fusing current)을 고려하여 표 5의 ATC 사에서 제공하는 고전력용 도체공정을 적용하여 제작하였다[11].
내부 입출력 정합회로는 두 개의 GaN HEMT Bare Die 소자와 Au Wire로 형성된 인덕터 및 SLC와 저항, 알루미 나 기판으로 구현하였으며, 고유전율 기판을 Shunt-C 정 합으로 GaN HEMT Bare Die 소자의 게이트와 드레인에 인접하여 배치함으로서 내부 입출력 정합회로의 크기를 소형화하였다. 외부 입/출력 정합회로는 고유전율 기판이 아닌 Microstrip의 Multi-Transformer로 정합된 알루미나기 판과 Au Wire 로 형성된 인덕터를 이용한 전력 결합/분배 기 및 SLC로 구성하여 저손실/광대역으로 정합하였다.
제작된 광대역 80 W급 전력증폭기는 열 방출을 위해 heat sink의 온도를 상온으로 유지할 수 있는 구리 방열 지그 위에 부착하여 VDS=28 V, IDQ=1.0 A, VGS=−2.86 V의 조건에서 측정하였다. 그림 6은 광대역 80 W급 전력증폭 기 소신호(S-parameter) 시뮬레이션 결과(dot, 점선)와 측 정 결과(dash, 실선)를 비교한 그래프이다. 2.0～6.5 GHz 에서 측정된 선형 이득은 7.25～13.62 dB이며, 시뮬레이 션 결과와 비교할 때 최대 약 5.0 dB 정도 감소하는 특성 을 보였다. 위와 같이 S21(이득)과 S22(출력반사손실)의 특 성이 시뮬레이션 결과와 측정결과가 다른 것은 EM 시뮬 레이션 시 구현한 Au Wire Bonding 모델링 값과 증폭기
표 5. ATC사 알루미나 기판의 고전력용 도체공정 Table 5. High power metalization of ATC company
Alumina PCB.
Metaliza- tion
Applica- tion
Attachment
method Metalization Typical value
TiW-Au- Cu-Ni-Au
High power/low
loss RF and power
supply
Pb/SN, Au/Sn soldering epoxy wire
bonding
TiW 300 to 1,000 Å 500 Au 3000 to 5,000 Å 3,000
min.
Cu 200 to 2,000 Å 500 Ni 300 to 1,000 μin 50 min.
Au 20 to 200 μin 150 min.
표 4. 전력증폭기 캐리어 및 방열 소재의 열전달 계수
Table 4. Heat transfer coefficient of power amplifier carrier composition and materials for thermal management.
Composition k(W/mK)
Aluminum 205
CuW W90Cu10 180
W75Cu25 220
CuMo Mo50Cu50 250
CMC Cu:Mo:Cu
(1:1:1) 250～305(direction: Z-XY) CPC Cu:Mo70Cu:Cu
(1:4:1) 300～340(direction: Z-XY) S-CMC Cu:Mo:Cu:Mo:Cu
(Mo 10 %) 335～369(direction: Z-XY)
Aluminum diamond 500
Silver diamond 700
그림 6. 광대역 80 W급 전력증폭기의 시뮬레이션(점선)
& 측정(실선) S-parameter 결과
Fig. 6. Simulated(dot) & measured(dash) S-parameter results of the wide band 80 W SSPA.
제작 시 사용된 다수의 Wire Bonding 제작 공정 오차로 인한 영향으로 분석된다.
그림 7은 제작된 광대역 80 W급 전력증폭기의 4.5 GHz, CW RF 입력신호를 주입하여 입력 전력 변화에 따른 출 력 전력 특성을 보여주고 있다. 측정결과, 입력전력 CW RF 41 dBm 주입 시 121.8 W(50.86 dBm)의 최대 출력전력 과 48.19 %의 최대 PAE, 그리고 9.86 dB의 최대 전력이득 을 확인하였으며, 목표 출력전력인 80 W(49 dBm)를 상회 하는 결과임을 확인할 수 있다. 또한, 측정 결과(실선)와 시뮬레이션 결과(점선)를 비교할 때 출력전력 및 효율은 시뮬레이션 결과와 유사한 경향임을 확인할 수 있다.
그림 8은 제작된 광대역 80 W급 전력증폭기에 입력전 력 42 dBm CW 신호 주입 시 주파수 2.0～6.5 GHz에서 측정된 출력 특성을 나타내었다. 측정결과, CW RF 주입 시 동작주파수 전대역 평균 81.4W(49.10 dBm) 의 출력전 력과 전대역 평균 36.65 %의 전력부가효율(PAE), 평균 7.1 dB의 전력 이득(power gain)으로 표 2의 설계 목표를 만족함을 확인할 수 있다.
표 6은 제작된 광대역 80 W급 전력증폭기와 기존 발표 된 증폭기 및 상용 제품과 주요 성능을 비교하였고, 넓은
대역폭에서 높은 출력전력과 고효율 및 전력이득 측면에 서 경쟁력을 갖추고 있음을 알 수 있다.
그림 7. 4.5 GHz 입력전력 크기 변화에 따른 광대역 80 W급 전력증폭기의 시뮬레이션(점선)과 측정(실 선) CW 출력 특성
Fig. 7. Simulated(dot) & measured(dash) CW output per- formance of the wide band 80 W SSPA with 4.5 GHz input power level variation.
그림 8. 42 dBm 입력전력에서 주파수 변화에 따른 광대 역 80 W급 전력증폭기의 CW 출력 특성 측정결 과
Fig. 8. Measured CW output performance results of the wide band 80 W SSPA with frequency variation at 42 Bm input power.
표 6. 제작된 광대역 80 W급 전력증폭기 측정결과와 기
존 발표된 전력 증폭기 결과의 비교
Table 6. Comparison of measured results of the fabricated wide band 80 W SSPA and previously published SSPA results.
This work Ref. [12] Ref. [13] Ref. [14] Ref. [15]
Frequency
[GHz] 2.0～6.5 0.85～5.4 2.0～6.0 2.0～6.0 2.5～6.0 Fractional
BW(%) 105.8 145.6 100 100 82.3
Power gain
[dB] 7.1 8 16 22 20.5
Pout [W] 81.4 25 39 31.6 44.5
PAE [%] 36.65 45 40 30 36
VDS [V] 28 30 32 28 30
Pulse/CW CW CW CW CW CW
Amplifier type
HMIC (discrete baredie)
HMIC (discrete)
Packaged MMIC
Packaged MMIC
Packaged MMIC Size [mm2] 484 Over
1,000 230 231 197
Ⅳ. 광대역 120 W급 RF SSPA 모듈 제작 및 시험
광대역 120 W급 RF SSPA 모듈은 그림 9와 같은 회로 구성도로 설계하였다. 그림 10은 제작된 광대역 120 W급 RF SSPA 모듈 제작 사진을 나타내며, 두 개의 광대역 80 W급 전력증폭기를 90° 하이브리드 커플러를 사용하여 출력전력을 결합하는 구조로 제작하였다.
제작된 광대역 80 W급 전력증폭기에서 −6 dB 이하의 입력반사손실 특성과 −8 dB 이하의 출력반사손실 특성 으로 인해 발생할 수 있는 불안정 요소를 제거하기 위해 90° 하이브리드 커플링 전력 결합구조를 적용하여 광대
역 120 W급 RF SSPA 모듈이 안정적인 동작하도록 보완 하였다. 모듈에 사용된 PCB는 Taconic사의 TLY-5 31mil (εr=2.2)기판으로 Microstrip RF 전송선로를 적용하였고, Power Rating을 고려하여 주파수 대역 2～6 GHz, 삽입손 실 0.4 dB, 격리도 17 dB 성능을 갖는 2종의 상용 90° 하 이브리드 커플러를 사용하였다. SSPA 모듈 조립은 구리 (Cu) 하우징 바닥면과 PCB간 Ag 에폭시를 사용하였고, DC Bias 연결은 Gold Ribbon Welding 10 mil&20 mil, RF 전송선로 간 연결은 Gold Wire Wedge Bonding 1mil 사용 하여 전기적으로 연결하였다.
제작된 광대역 120 W급 RF SSPA 모듈은 열 방출을 위 해 Heat Sink의 온도를 상온으로 유지 할 수 있는 수냉식 방열 지그 위에 부착하여 VDS=28 V, IDQ= 2.0 A, VGS=
−2.76 V의 조건에서 측정하였고, 측정결과는 그림 11 과 같다. 그림 11(a)는 소신호 특성을 나타내며, 그림 6에서 측정된 광대역 80 W급 전력증폭기의 −6 dB 이하의 입력 반사손실이 90° 하이브리드 커플링 전력 결합구조를 광 대역 120 W급 RF SSPA 모듈에 적용하여 입출력 반사손 실(S11, S22) 모두 −10 dB 이하로 개선되었음을 확인할 수 있다. 그림 11 (b)는 입력전력 45 dBm의 CW RF 입력신호 를 주입하여 주파수 2.0～6.5 GHz에서 CW 측정된 출력 특성(실선)과 산술적 예측 출력전력 결과(점선)를 비교한 대신호 특성을 보여주고 있다.
앞서 측정한 그림 8의 제작된 광대역 고효율 80 W급 전력증폭기 주파수별 출력전력 측정결과에 3 dB 더한 결 과에서 결합손실과 CW 운용 시 열에 의한 출력성능 저하 를 1 dB를 감안하여 총 2 dB를 더해 산술적으로 결과를 예측하였고, 대신호 출력특성 중 출력전력 측정 결과와 산술적 예측 출력전력 결과는 유사한 것을 확인할 수 있 었으며, 특히 2 GHz～3 GHz 대역과 5 GHz～6 GHz 대역 은 90° 하이브리드 커플러 사용으로 개선된 입출력 반사 손실로 인해 출력 전력이 광대역 80 W급 전력증폭기의 산술적 예측 대비 높은 성능을 갖게 된 것으로 분석된다.
최종적으로 제작된 광대역 120W급 RF SSPA 모듈의 측정 결과의 대역폭, 출력전력, 효율을 감안하면 120W급 RF SSPA모듈 여러 개를 전력 결합하여 기존 전자전용 재 머 대체 가능성과 다양한 RF 응용시스템에서 활용 가능 성을 기대할 수 있다.
그림 10. 광대역 120 W급 RF SSPA 모듈 제작 사진 Fig. 10. Photograph of the wide band 120 W RF SSPA
module.
그림 9. 광대역 120 W급 RF SSPA 모듈의 회로 구성도 Fig. 9. Simplified block diagram of wide band 120 W RF
SSPA module with 90° hybrid coupler.
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 미래 전장 환경에서 고출력 재머에 사 용 가능한 GaN HEMT를 이용한 광대역 80 W급 전력증 폭기와 120 W급 RF SSPA 모듈의 설계 및 성능 측정결과를 확인하였다. 설계된 광대역 80 W급 전력증폭기는 Shunt-C 광대역 정합기법과 임피던스 Transformer 광대역 정합기
법을 사용하여 CW 입력전력 주입조건에서 2.0～6.5 GHz, fractional BW 105.8 %의 광대역특성과 동작주파수 전대 역 평균 49.10 dBm(81.4 W), 전대역 평균 36.65 %, 평균 7.1 dB 전력이득을 확인하였고, 4.5 GHz 41 dBm 입력세 기에서 50.86 dBm(121.9 W) 의 최대출력전력, 48.19 %의 전력부가효율(PAE), 9.86 dB의 전력이득을 확인할 수 있 었다. 광대역 80 W급 전력증폭기 제작 시 높은 열전도도 의 S-CMC Carrier를 적용하여 지속파(CW) 최대출력 증폭 시에도 안정적인 성능을 낼 수 있는지 시험을 통해 검증 하였고, 설계된 전력증폭기의 낮은 입출력 반사손실을 개 선하기 위해 90° 하이브리드 커플링 전력 결합구조를 적 용하였으며, 광대역 120 W급 RF SSPA 모듈이 안정적으 로 동작하도록 제작 및 구현하여 기존 전자전 재머 전력 증폭기의 형태인 진공 전력증폭기(TWTA)의 대체 가능성 을 확인하였다. 본 논문을 통해 개발된 광대역 80 W급 전 력증폭기는 향후 개발되는 전자전용 광대역 고출력 재밍 송신장치 및 다양한 응용 시스템에 활용될 수 있을 것으 로 기대한다.
References
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(b)
그림 11. (a) 광대역 120 W급 RF SSPA 모듈의 소신호 측정결과 (b) 45 dBm 입력전력에서 주파수 변 화에 따른 광대역 120 W급 RF SSPA 모듈 측 정(실선)과 산술적 예측(점선) CW 출력 특성 Fig. 11. (a) Measured S-parameter results of the wide
band 120 W RF SSPA module, (b) Measured(
dash) & calculated prediction(dot) CW output per- formance of the wide band 120 W RF SSPA module with frequency variation at 45 dBm input power.
GaN HEMT die." Available: https://www.wolfspeed.com/
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[15] Qorvo, "QPA2576N." 2018. Available: https://www.
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김 재 덕 [LIG넥스원 전자전연구소/선임연구원]
https://orcid.org/0000-0002-7059-1542
2010년 2월: 광운대학교 전파공학과 (공학 사)
2012년 2월: 광운대학원 전파공학과 (공학 석사)
2012년 1월～현재: LIG넥스원 전자전연구 소 선임연구원
[주 관심분야] RF Power Amplifier, RF Jamming System, Electronic Warfare System 등
김 보 균 [유텔연구소/선임연구원]
https://orcid.org/0000-0001-7215-9991
2011년 2월: 순천향대학교 전기통신공학 과 (공학사)
2011년 1월～현재: ㈜ 유텔연구소 선임연 구원
[주 관심분야] RF Power Amplifier, Micro- wave Active Circuit and Wireless Com- munication 등
유 승 학 [유텔 연구소/수석연구원]
https://orcid.org/0000-0002-3160-8217
2001년 2월: 홍익대학교 전자전기공학부 (공학사)
2002년 9월～2004년 12월: 기륭전자연구 소 주임연구원
2008년 3월～현재: ㈜ 유텔연구소 수석연 구원
[주 관심분야] Microwave Active Circuit and Wireless Communication 등
이 기 욱 [LIG넥스원 전자전연구소/수석연구원]
https://orcid.org/0000-0002-7130-3864
2002년 2월: 광운대학교 전자공학과 (공학 석사)
2001년～2004년: LG이노텍 주임연구원 2018년 2월: 연세대학교 전기전자공학과
(공학박사)
2005년 11월～현재: LIG넥스원 전자전연 구소 수석연구원
[주 관심분야] High Power Microwave Circuit Design, HPEM, Electronic Warfare System 등
이 문 석 [LIG넥스원 전자전연구소/수석연구원]
https://orcid.org/0000-0001-5429-943X
1997년～2001년 : LG정밀 연구3그룹 연구 원
2010년 2월: 아주대학교 전자공학과 (공학 석사)
2005년～현재: LIG넥스원 전자전연구소 수석연구원
[주 관심분야] Electronic Warfare System, Embedded Software, Signal Processing
이 왕 용 [LIG넥스원 전자전연구소/연구위원]
https://orcid.org/0000-0002-9955-5983
1996년 2월: 경북산업대학교 전자공학과 (공학사)
2007년 2월: 아주대학교 정보전자공학과 (공학석사)
1995년～현재: LIG넥스원 전자전연구소 연구위원
[주 관심분야] Electronic Warfare System, RF Circuit/Signal Processing 등
